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올해 노벨 물리학상 수상자 발표 이후 양자컴퓨터에 대한 관심이 뜨겁다. 수상자들의 기초연구 성과가 미래 전략기술로 주목받는 양자컴퓨터의 토대를 마련했기 때문이다.
13일(현지시간) 미국 JP모건체이스는 국가 경제와 안보 핵심 산업을 지원하기 위해 양자컴퓨터를 포함한 미래 전략 분야에 10년간 약 1조5000억달러(약 2100조원)를 투자하겠다고 발표했다. 양자컴퓨터 기업인 미국 리게티컴퓨팅과 캐나다잭팟
디웨이브퀀텀 등은 세달 만에 주가가 2배 이상 뛰었다. 전문가들은 노벨상 수상과 대규모 투자 소식이 호재로 작용했다고 분석한다. 
양자컴퓨터는 고전컴퓨터로는 계산이 너무 오래 걸려 사실상 해결이 불가능한 특정 유형의 문제를 풀 수 있다. 인류가 그동안 풀지 못했던 난제를 포함해 신약·신소재 탐색이나 최적화 문제 해결, 암호 해독 등에 주식정보싸이트
유망할 것으로 기대된다. 특히 암호 해독의 경우 국가 안보와 직결되기 때문에 양자컴퓨터는 전략 기술로 분류된다.
● 전기 회로의 '양자화' 가능성 증명
올해 수상자인 존 클라크 미국 버클리캘리포니아대(UC버클리) 명예교수, 미셸 드보레 미국 예일대 명예교수, 존 마티니스 미국 산타바바라캘리포니아대(UC산타바바라) 명예교강력추천주
수는 실험실 안에만 머물던 양자 연구가 산업으로 응용될 수 있는 길을 열었다.
양자컴퓨터는 어떤 물리적 상태가 하나로 정해지지 않고 동시에 존재하는 양자중첩 현상 등을 활용한 정보처리 단위 '큐비트(qubit)'로 계산을 수행한다. 양자 상태를 구현하고 이를 측정할 수만 있다면 원자, 이온, 광자(빛의 입자), 다이아몬드의 결함 등 무엇ELS란
이든 큐비트로 활용할 수 있다.
다양한 양자 상태를 구현하려면 먼저 전체 시스템이 '양자화(Quantization)'돼야 한다. 양자화된 시스템은 고전물리학에서 설명하는 것처럼 에너지가 연속적이지 않고 특정 값만을 흡수하거나 방출해 불연속적이다. 



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된 시스템에서 에너지 수준이 특정 값에 도달할 때마다 불연속적으로 입자가 방출되는 현상을 설명한 그림. 양자화된 시스템은 고전물리학에서 설명하는 것처럼 에너지가 연속적이지 않고 특정 값만을 흡수하거나 방출해 불연속적이다. 스웨덴 왕립과학원 제공


수상자들은 1984년과 1985년 진행한 실험에서 전기 회로처럼 거대한 시스템도 '양자화'될 수 있다는 사실을 발견했다.
극저온 등 특정 조건에서 저항이 사라지는 초전도체 회로가 활용됐다. 두 초전도체 사이에 얇은 절연층을 삽입해 샌드위치처럼 만든 '조셉슨 접합(Josephson junction)' 구조를 만들고 전자기파인 마이크로파를 조사해 전류를 유도했다. 초전도체의 작동 원리를 규명한 과학자들은 1972년에, 조셉슨 접합 구조를 고안한 과학자들은 1973년 노벨물리학상을 받았다.



초전도체에서 전자들이 둘씩 '쿠퍼 쌍'을 이뤄 저항 없이 이동하는 모습을 그린 그림. 쿠퍼 쌍들은 마치 하나의 덩어리처럼 행동하며 에너지 수준에 따라 절연체를 뛰어넘어 이동하기도 한다. 스웨덴 왕립과학원 제공


초전도체에서 전자가 쌍을 이루는 '쿠퍼 쌍(Cooper pairs)'이 집단적으로 움직이며 일부 입자가 원래는 전류가 흐르지 못하는 절연층을 뛰어넘는 양자 터널링(tunneling) 현상이 관찰됐다. 그동안 원자나 전자 수준으로 매우 작은 미시세계에서만 관측된 양자 현상이 반도체 칩처럼 우리가 보고 만질 수 있는 거시세계에서도 제대로 작동한다는 증거인 셈이다.
조셉슨 접합이 포함된 초전도체 회로에 전압이 0인 순간부터 다양한 파장의 마이크로파를 조사하자 전체 회로의 전류가 계단처럼 불연속적으로 흐른다는 사실이 확인됐다. 회로 시스템을 양자화하는 데 성공한 것이다.



양자 터널링 현상을 설명하는 그림. 어떤 입자 등이 고전 물리학에서는 넘을 수 없을 것으로 여겨진 에너지 장벽을 통과하는 현상이다. 스웨덴 왕립과학원 제공


● 초전도체 전기 회로가 큐비트로 재탄생
1990년대에 접어들며 양자컴퓨터 아이디어가 본격적으로 구체화됐다.
1994년 미국 수학자 피터 쇼어는 큰 수의 소인수분해를 매우 빠르게 해결할 수 있는 양자 알고리즘인 '쇼어 알고리즘'을 제시했다. 큰 수의 소인수분해는 기존 컴퓨터로는 매우 오랜 시간이 걸려 암호 등에 사용된다. 쇼어 알고리즘을 수행할 수 있는 양자컴퓨터가 실제로 구현될 경우 기존 암호체계를 무너뜨릴 수 있다는 잠재력을 이론적으로 확인한 셈이다.
1999년에 큐비트 개념이 처음으로 등장했다. 일본전기(NEC) 연구진은 초전도체 회로를 정보처리에 활용하는 개념 증명 실험에 성공하며 초전도체 회로 기반 양자컴퓨터 연구에 구체적인 방향성을 제시했다.
2000년대 이후 투자 규모가 커지면서 2015년을 전후로 미국의 구글, IBM 등 거대 테크기업들이 양자컴퓨터 사업에 뛰어들었다. 
마티니스 교수는 초전도체 회로에서 가장 낮은 에너지 상태를 0, 바로 위 에너지 단계를 1로 정의해 큐비트를 활용하는 실험을 수행하기도 했다. 그는 구글 양자컴퓨터 부문 총책임자를 거쳐 지금은 자신의 양자기술 기업 큐오랩(Qolab)을 설립해 이끄는 등 양자컴퓨터 연구자로 활발히 활동하고 있다.
노벨위원회는 "올해 수상자들은 물리학 실험을 통해 실용적인 이점과 이론적 이해라는 두 가지 측면에 모두 기여했다"고 설명했다.
2022년에는 양자컴퓨터와 양자통신 구현의 핵심인 '양자 얽힘' 현상을 실험으로 검증한 과학자 3명이 노벨물리학상을 받았다. 불과 3년 만에 양자 분야에서 수상자가 나온 것이다.
양자컴퓨터는 앞으로 또 노벨상을 받을 만한 분야로 평가된다. 올해 수상한 연구성과는 엄밀히 말하면 양자컴퓨터가 받은 것은 아니기 때문이다. 정연욱 성균관대 나노공학과 교수는 "이후 유용한 양자컴퓨터를 구현해 세상을 이롭게 한 분들도 노벨상을 받을 것"이라며 "정말 빠르면 5년 안에도 받을 수 있을 것 같다"고 밝혔다.
[이병구 기자 2bottle9@donga.com]